O que diferencia um circuito digital de um circuito comum (linear) é o tipo de sinal que encontramos em sua entrada e sua saída.
Num circuito comum, um amplificador por exemplo, o sinal de entrada e de saída, em cada instante pode assumir qualquer valor entre dois limites (figura 1).
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| Figura 1 — Num circuito linear, o sinal de entrada e saída pode assumir qualquer valor entre dois limites. |
O circuito trabalha com formas de ondas complexas que podem ter em cada instante qualquer valor.
Na entrada ou saída de um amplificador, por exemplo podemos encontrar qualquer tensão entre 0 e +V dependendo do instante considerado.
O circuito é linear na operação no sentido de que ele não distingue os níveis de sinal com que trabalha, amplificando-os ou atenuando-os segundo forma esperada.
Num circuito lógico, as coisas são diferentes: encontramos apenas dois níveis de sinal.
Como os sinais só podem ter dois valores possíveis, que são representados por 0 e 1, dizemos que estes circuitos operam na base 2. O que temos são circuitos digitais binários.
Se pegarmos um circuito digital teremos então duas possibilidades em relação as tensões que encontramos nas suas entradas e saídas.
A tensão pode ser nula, caso em que dizemos em que o nível encontrado é baixo, ou ainda LOW em inglês, representado por 0 ou LO; a tensão pode ter um certo valor diferente de zero, caso em que diremos que o nível é alto, ou em inglês HIGH, representado por 1 ou HI (figura 2).
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| Figura 2 — A entrada ou saída de um circuito lógico digital só pode ter duas condições: 0 ou 1 |
Em suma, a entrada ou saída de um integrado digital ou de um circuito lógico digital só pode ter duas condições: 0 ou 1, ou ainda LO ou HI.
Na prática, os valores que correspondem ao nível 0 e 1, ou HI e LO podem variar segundo a família de integrados considerada.
Assim, temos a chamada família TTL (Transistor-Transistor Logic) que é a mais comum nas montagens, por ser a de mais baixo custo e também mais versátil. Os componentes desta família são facilmente identificados por começarem com o número 74.
Exemplo: 7400, 7401, 7474, 74121, etc.
Todos os elementos destas famílias podem ser interligados diretamente, isto é, a saída de qualquer um se adapta à entrada de qualquer outro da mesma família.
Os integrados da família TTL (7400 e outros) devem ser alimentados com uma tensão de 5 volts.
Os níveis que são interpretados como 0 e 1 (LO e HI) devem estar numa faixa bem definida, mostrada na figura 3.
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| Figura 3 — Os níveis que são interpretados como 0 e 1 devem estar numa faixa bem definida |
Qualquer sinal na faixa de 0 a 0,8V é interpretado com nível LO ou 0. Qualquer sinal na faixa de 2,0 a 5,0 Volts é interpretado como 1 ou HI.
Sinais fora desta faixa são "proibidos" podendo ser interpretados erradamente pelo circuito como 0 ou 1, de forma imprevisível.
Uma outra família de grande importância pelo seu baixo consumo e a CMOS cujos componentes são conhecidos por terem 40 por números iniciais (4000, 4001, 4040,40150, etc).
Os integrados desta família são mais versáteis quanto à alimentação podendo ser ligados em fontes de 5 a 15V.
O nível interpretado como HI e LO, evidentemente, dependerá da tensão de alimentação, assim como os níveis de saída.
Do mesmo modo que os TTL, todos eles são compatíveis, podendo ser interligados diretamente.
As funções lógicas
Tanto para as famílias TTL com CMOS podemos obter integrados que correspondam a funções lógicas comuns. Nos circuitos lineares temos amplificadores, osciladores, pré-amplificadores etc. Para os circuitos digitais temos as funções que são portas, inversores, flip-flops etc.
Uma porta nada mais é do que uma função em que a saída terá um nível HI ou LO dependente das situações das entradas.
Temos então os seguintes tipos de portas:
Porta E ou AND
Este tipo de porta tem o símbolo mostrado na figura 4.
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| Figura 4 — Porta E ou AND |
Temos então portas AND de duas, três ou mais entradas.
Para representar o que acontece com a saída de uma porta em função de sua entrada usamos as chamadas Tabelas Verdade. Numa Tabela Verdade, temos as combinações de situações possíveis para as entradas e as situações correspondentes da saída.
Por exemplo, para a porta E, a Tabela verdade será:
A B S
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Conforme podemos ver, a saída só estará no nível HI quando ambas as entradas estiverem no nível HI. Para as demais condições, a saída será LO ou 0.
O mesmo é válido para uma porta AND de 3 entradas. Somente com as 3 entradas no nível HI é que a saída será HI ou 1.
Porta OU ou OR
Este tipo de porta que pode ter duas ou mais entradas, é representado na figura 5.
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| Figura 5 — Porta OU ou OR |
Igualmente, podemos representar seu funcionamento através de uma Tabela Verdade que é dada a seguir. Neste tipo de porta, a saída será 1 ou HI quando uma das entradas ou as duas forem HI ou 1.
A B S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Para uma porta OU de 3 entradas, a saída será HI quando qualquer das três, duas das três ou as três entradas forem HI ou 1.
Porta NAND ou Não-E
Esta função é uma negativa da função AND ou E.
O símbolo é mostrado na figura 6.
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| Figura 6 — Porta NAND ou Não-E |
Podemos dizer que a saída será 0 ou LO quando as duas entradas forem 1 ou HI. Nas outras condições a saída será 1 ou HI.
A Tabela Verdade é a seguinte:
A B S
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Para uma porta NAND de 3 entradas vale o mesmo procedimento: a saída será LO somente quando as três entradas forem HI.
Porta NOR ou Não-OU
Esta função é uma negativa da função OU que já vimos.
O símbolo usado para representar uma porta NOR é mostrado na figura 7.
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| Figura 7 — Porta NOR ou Não-OU |
Nesta função a saída será HI somente quando as duas entradas forem LO.
A Tabela Verdade será a seguinte:
A B S
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
Para uma porta NOR de 3 entradas vale o mesmo raciocínio: a saída será HI somente se as entradas forem todas LO.
Inversor
Esta função tem seu símbolo mostrado na figura 8.
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| Figura 8 — Inversor |
Um inversor "inverte" a função que lhe é entregue. Se entregamos 1 sai 0 e se entregamos 0 sai 1, conforme mostra a seguinte tabela verdade:
E S
0 1
1 0
É claro que, neste caso, não temos inversores de mais de uma entrada.
Flip-flops
Os flip-flops podem ser usados na elaboração de circuitos contadores e o tipo mais comum é representado na figura 9.
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| Figura 9 — Flip-Flop tipo D |
Neste circuito temos duas entradas e duas saídas.
O flip-flop tem apenas dois estados estáveis em que suas saídas são 0 e 1, mas complementares, isto é, quando Q é 0, Q é 1 e vice-versa.
As duas saídas não podem estar ao mesmo tempo no nível 0 ou no nível 1.
O flip-flop troca de estado a cada impulso de entrada, fazendo com isso a contagem em binário.
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